液化天然气（LNG）背后的科学：低温技术如何成就能源奇迹
液化天然气（LNG）背后的科学：低温技术如何成就能源奇迹
将天然气液化为LNG是能源领域最令人瞩目的工程壮举之一。这一过程依赖低温技术，通过将天然气冷却至-162°C（-260°F）的极低温，转化为液态。低温科学的精妙应用，确保天然气能以高效、安全的方式输送到全球各地。本文将深入探讨低温技术的核心原理及其在LNG产业中的关键作用。
现场总线在过程工业中仍未被广泛采用。它们在20世纪90年代首次推出时，尤其在安装与维护的复杂性方面被严重低估。Ethernet-APL 的开发者从这些经验中汲取了很多教训，推出了一项正在推动现场层数字化取得突破的技术。
在1990年代，Profibus 和 Foundation Fieldbus 等现场总线技术的引入被认为是过程工业中的一项革命性进展。这些数字通信协议的核心思想是推进自动化，取代模拟信号传输。然而，这种热情很快就消退了，因为原本承诺的优势在实际中未能如预期实现。这是因为相关利益方低估了技术的复杂性——这也是为什么该技术在用户中并不受欢迎的原因之一。如今，Ethernet-APL 标志着该行业的重要技术里程碑，这一次，人们不打算重蹈覆辙。彼时的现场总线技术虽然具备某些先进特性，但在关键环节上存在严重不足。
失误一：安装和维护复杂
早期的现场总线技术由多种竞争系统构成：Profibus DP 和 PA、Foundation Fieldbus、Modbus、Interbus 和 World FIP 等，它们都声称能够通过单一总线减少布线工作。但实际情况要复杂得多。系统的多样化带来了混乱与兼容性问题，而市场的碎片化进一步加剧了这一局面。此外，实践中发现，规划人员和操作人员往往严重低估了规划与安装所需的工作量。为了确保无误的安装，工程师必须掌握对新系统的深入技术理解。此外，布线文档记录不规范也在故障排查与维护中引发了问题。
失误二：培训需求高且知识缺乏
现场总线系统需要专业知识，而许多公司和系统中并不具备这类人才。相比之下，传统的4~20 mA模拟技术易于掌握。而数字现场总线技术并不直观，员工的培训需求极高，许多人面对新技术感到难以应对。这常常导致系统操作和维护中出现错误，进一步削弱了工程师对该技术的接受度。
失误三：灵活性不足
现场总线的另一个问题是架构较为刚性。系统扩展或调整通常非常复杂且成本高昂，使许多公司望而却步。特别是在灵活性与可扩展性日益重要的背景下，这种限制成为明显短板。
失误四：诊断功能不足
虽然现场总线理论上具备先进的诊断功能，但实际中这些信息往往难以获取。用户必须借助专用工具和软件才能定位故障，这在发生故障时延长了响应时间，并无谓地拖延了操作流程。此外，诊断多为被动式，意味着问题往往是在达到临界状态后才被发现。
失误五：缺乏标准化
不同现场总线协议之间的竞争加剧了行业的不确定性。缺乏统一标准，使企业难以在一个系统上达成共识。这成为现场总线推广过程中的又一障碍。
Ethernet-APL：吸取经验，面向未来
Ethernet-APL是一项旨在避免上述所有错误的新技术。它的开发基于现场总线失败的经验，有潜力对过程工业产生长期影响。
优势一：更简便的安装与更远的通信距离
Ethernet-APL 是一项基于 IEEE 802.3 10BASE-T1L 标准的国际标准化双线解决方案。这意味着它基于一种成熟且广泛应用的技术，能够实现最远1000米的现场设备连接。同时，它还能为这些设备供电，这一点对于过程工业中的大型系统尤其重要。当前用于现场总线安装的A类电缆可继续使用。这降低了对现有系统的改造工作，使得部署 Ethernet-APL 更具吸引力。
优势二：培训需求降低
Ethernet-APL 的另一大优势是培训成本更低。由于该技术基于以太网——一种已经被广泛掌握的成熟技术——用户已具备基础了解。因此，相关培训更易开展，技术应用也更容易上手。
优势三：支持多种网络拓扑，具备灵活性
星形和干线拓扑
Ethernet-APL 支持构建两种网络拓扑结构：典型的以太网星型结构，以及干线-支线结构。这种灵活性使得网络基础设施可以根据每套系统的具体需求进行适配。干线-支线结构在大型系统中尤为有效，其通信距离可达1000米。两种结构均使用交换机——后者中使用电源交换机，将四线网络转换为双线网络，并通过干线为 Ethernet-APL 网络供电。两种结构还需使用现场交换机，该设备可安装至 Zone 1 区域，并为连接的现场设备提供本安供电。
本安认证简化
在 Ethernet-APL 中，每个现场设备连接至一根明确的电缆，这使得过程工厂所需的本安认证依据新发布的 IEC TS 60079-47（2-WISE，双线本安以太网）标准得以简化。此外，如果所用现场交换机具备用于连接 PROFIBUS PA 设备的 PA Proxy，那么基于 FISCO（IEC 60079-11）标准的本安现场总线设备仍可继续使用。
保留已有功能：与远程 I/O 结合
将 Ethernet-APL 集成进现有系统是一种有吸引力的方式，可继续使用那些不具备 APL 接口的基本 I/O 信号。借助支持以太网的远程 I/O 系统，可以将现有的 4~20 mA、HART、接点和阀门设备接入到与现场交换机连接的数字以太网网络中。
通过 Ethernet-APL 实现安全功能
Ethernet-APL 有别于传统过程现场总线系统的一大特点是其对功能安全的支持：Ethernet-APL 作为物理层支持 PROFIsafe 和 CIP Safety 等安全协议。这使得可以采用相同方式构建安全（SIL）与非安全拓扑，甚至混合使用。前提是所用的现场设备和自动化系统具备兼容性。Ethernet-APL 现场交换机作为灰通道，可用于安全与非安全场景。
优势四：增强的诊断功能
Ethernet-APL 最显著的特点之一是其先进的诊断功能。APL 交换机能够实时监测网络和连接设备的通信问题或物理层故障。借此可以立即发现由网络老化或电缆断裂引起的故障，并指导维护团队有针对性地采取措施，防止系统中断。诊断信息可在交换机上本地显示，这一功能提升了该技术在系统操作者中的接受度。
优势五：统一标准与互操作性
Ethernet-APL 从开发初期就定位为开放、可互操作的解决方案。与90年代的现场总线协议不同，Ethernet-APL 的开发由主流控制系统、现场设备及基础设施厂商联合推动。FCG、ODVA、OPC Foundation 和 PI 等关键技术组织参与了开发工作，并负责后续推广与持续发展。
结语：Ethernet-APL 是具备发展潜力的解决方案
Ethernet-APL 的引入标志着过程工业数字化的下一阶段。它结合了以太网这一成熟技术与过程自动化的应用需求，提供了简单、可靠且具备未来适应性的解决方案。在开发 Ethernet-APL 的过程中，有意识地避免了现场总线推广初期出现的问题——如安装复杂、缺乏灵活性和诊断功能不足等。通过推动现场层的数字化，Ethernet-APL 正将过程自动化带入一个新的阶段。
